Question

9．化学反应原理在合成氨工业及氨的性质研究中具有广泛的应用．
（1）工业生产硝酸的第一步反应是氨的催化氧化反应，已知下列3个热化学方程式（K为平衡常数）：
①4NH₃（g）+3O₂（g）?2N₂（g）+6H₂O（g）△H₁=-1266.8kJ•mol^-1  K₁
②N₂（g）+O₂（g）?2NO（g）△H₂=180.5kJ•mol^-1   K₂
③4NH₃（g）+5O₂（g）═4NO（g）+6H₂O（g）△H₃  K₃
则△H₃=-905.8kJ•mol^-1，K₃=K₁ •K₂²（用K₁、K₂表示）．
（2）工业合成氨所用的氢气主要来自天然气与水的反应，但这种原料气中往往混有一氧化碳杂质，工业生产中通过如下反应来除去原料气中的CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H2 （g）△H＜0．
①一定条件下，反应达到平衡后，欲提高CO 的转化率，可采取的措施有可降低温度或增加水蒸气的浓度、降低二氧化碳或氢气的浓度等．
②在容积为2L的密闭容器中发生上述反应，其中c（CO）随反应时间（t）的变化如图甲中曲线Ⅰ，如果在t₀时刻将容器容积扩大至4L，请在图甲中画出t₀时刻后c（CO）随反应时间（t）的变化曲线．

（3）氨气的重要用途是合成尿素，一定条件下，NH₃和CO₂合成尿素的反应为2NH₃+CO₂?CO（NH₂）₂+H₂O．当加料比例n（NH₃）：n（CO₂）=4 时，CO₂的转化率随反应时间（t）的变化如图乙所示，a点v_逆 （CO₂）＜b 点v_正（CO₂）（填“＞”、“＜”或“=”），NH₃的平衡转化率为30%．
（4）硫酸工业生产过程中产生的尾气可用氨水吸收，生成的（NH₄）₂SO₃再与硫酸反应，将生成的SO₂返回车间作生产硫酸的原料，而生成的（NH₄）₂SO₄可作肥料．常温下，0.1mol•L^-1（NH₄）₂SO₄溶液中各离子浓度由大到小的顺序是c（NH₄⁺）＞c（SO₄ ^2-）＞c（H⁺）＞c（OH^-）；若某工厂中使用的是室温下0.1mol•L^-1的氨水，那么该氨水的pH=11.15．（已知K_b（NH₃•H₂O）=2.0×10^-5，$\sqrt{2}$=1.414，lg1.414=0.15）

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律，①+②×2=③，据此计算反应热，根据平衡常数的定义，两反应相加得的平衡常数相乘，计量数扩大2倍，则平衡常数为原来的平方，据此答题；
（2）①反应CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H＜0，为气体体积不变的放热反应，根据影响平衡移动的因素答题；
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），是一反应前后气体体积不变的反应，当把2L容器中t₀时c（CO）=2.0mol/L，在t₀时刻将容器的体积扩大至4L，此时c（CO）=1.0mol/L，平衡不移动，各浓度未原平衡时的$\frac{1}{2}$；
（3）根据图象可知，a点未达平衡，随着时间的推移，CO₂的转化率增大，即反应正向移动；根据转化率=$\frac{已转化的物质的量}{起始的物质的量}$×100%计算NH₃的平衡转化率；
（4）（NH₄）₂SO₄溶液中铵根离子水解生成氢离子，溶液呈酸性，在溶液中存在平衡NH₃•H₂O?NH₄⁺+OH^-，根据K_b=$\frac{c（N{H}_{4}{\;}^{+}）•c（O{H}^{-}）}{c（NH{\;}_{3}•H{\;}_{2}O）}$，溶液中铵根离子与氢氧根离子近似相等，可得c（OH^-）=$\sqrt{K{\;}_{b}•c（NH{\;}_{3}•H{\;}_{2}O）}$，据此计算．

解答 解：（1）根据盖斯定律，①+②×2=③，所以△H₃=△H₁+2×△H₂=-1266.8kJ•mol^-1+2×180.5kJ•mol^-1=-905.8kJ•mol^-1，根据平衡常数的定义，两反应相加得的平衡常数相乘，计量数扩大2倍，则平衡常数为原来的平方，所以K₃=K₁ •K₂²，
故答案为：-905.8kJ•mol^-1；K₁ •K₂²；
（2）①反应CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H＜0，为气体体积不变的放热反应，反应达到平衡后，欲提高CO 的转化率，可降低温度或增加水蒸气的浓度、降低二氧化碳或氢气的浓度等，
故答案为：可降低温度或增加水蒸气的浓度、降低二氧化碳或氢气的浓度等；
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），是一反应前后气体体积不变的反应，当把2L容器中t₀时c（CO）=2.0mol/L，在t₀时刻将容器的体积扩大至4L，此时c（CO）=1.0mol/L，平衡不移动，各浓度未原平衡时的$\frac{1}{2}$，c（CO）与反应时间t变化曲线为：，
故答案为：；

（3）由CO₂的转化率随时间变化图可知在A点时反应还未达到平衡状态，反应仍将继续正向进行，故v_逆（CO₂）小于B点平衡时的化学反应速率，设CO₂的初始物质的量为a，则NH₃的初始物质的量为4a，由图可知，CO₂的转化率为60%，故转化的二氧化碳为a×60%=0.6a，根据方程式可知，转化的NH₃的物质的量为0.6a×2=1.2a，故平衡时氨气的转化率定为$\frac{1.2a}{4a}$×100%=30%，
故答案为：＜；30%；
（4）（NH₄）₂SO₄溶液中铵根离子水解生成氢离子，溶液呈酸性，在溶液中存在平衡NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺，所以（NH₄）₂SO₄溶液中各离子浓度由大到小的顺序是c（NH₄⁺）＞c（SO₄ ^2-）＞c（H⁺）＞c（OH^-），根据K_b=$\frac{c（N{H}_{4}{\;}^{+}）•c（O{H}^{-}）}{c（NH{\;}_{3}•H{\;}_{2}O）}$，溶液中铵根离子与氢氧根离子近似相等，可得c（OH^-）=$\sqrt{K{\;}_{b}•c（NH{\;}_{3}•H{\;}_{2}O）}$=$\sqrt{0.1×2.0×1{0}^{-5}}$mol•L^-1=1.414×10^-3 mol•L^-1，所以pH=-lg$\frac{1{0}^{-14}}{1.414×1{0}^{-3}}$=11+lg1.414=11.15，
故答案为：c（NH₄⁺）＞c（SO₄ ^2-）＞c（H⁺）＞c（OH^-）；11.15．

点评 本题较为综合，从多个角度考查外界条件对化学平衡的影响、化学平衡图象、化学平衡计算等，侧重考查化学平衡移动在化学工艺中的应用以及化学平衡计算，题目难度中等．